算網基礎設施發(fā)展現狀及建議

韓淑君 穆琙博 柴瑤琳 宋平 畢立波

(中國信息通信研究院技術與標準研究所，北京 100191)

0 引言

隨著算力網絡、高性能計算、人工智能等新型信息技術快速發(fā)展，傳統(tǒng)產業(yè)與新型技術加速融合。以“計算”+“網絡”融合為主要特征的基礎設施已經成為智能社會不可或缺的關鍵基礎設施，算網基礎設施的創(chuàng)新發(fā)展被視為推動國家數字化轉型的重要力量。

近年來，隨著國家政策布局初顯雛形，產業(yè)界對于算網融合有了初步共識，并開展算網融合技術研究和產品研發(fā)升級。算網融合產業(yè)及標準推進委員會聚焦“計算”+“網絡”發(fā)展需求，闡述算網融合的豐富內涵，提出“4+6”架構體系。算網基礎設施作為四大組件之一，被視為算網融合能力底座[1]。

本文介紹了以“計算”+“網絡”深度融合為主要特征的算網基礎設施，提出算網基礎設施參考架構，從關鍵技術、行業(yè)應用、產業(yè)生態(tài)各層面分析算網基礎設施能力，提出算網基礎設施面臨的挑戰(zhàn)，總結生態(tài)建設任務。

1 算網基礎設施的理解

1.1 算網基礎設施定義及內涵

算網基礎設施為算網融合提供計算、網絡、存儲等資源的物理承載，實現網絡、計算以及數據資源的池化和一體化資源管理調度，提供網絡傳輸能力、異構計算能力以及數據分析能力，是算網融合能力的底座。

算網基礎設施以云計算數據中心、智能計算中心、高性能計算園區(qū)等算力和數據設施為支點，依托5G、物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、衛(wèi)星互聯(lián)網等網絡設施，融合人工智能、大數據等新技術，實現海量數據的流通、處理及存儲，是一種超融合的信息基礎設施的典型實現。

算網基礎設施包含計算基礎設施、網絡基礎設施、數據基礎設施、融合基礎設施、創(chuàng)新基礎設施五大組件(見圖1)，具體如下。

(1)計算基礎設施：是主要的算力承載體，主要包括云計算數據中心、邊緣數據中心、人工智能數據中心、高性能計算園區(qū)。

(2)網絡基礎設施：主要用于數據和計算任務的傳輸，實現“云”“邊”“端”多層網絡的聯(lián)通，包括全IP網和全光網。

(3)數據基礎設施：主要用于數據存儲，實現數據采集與接入、數據存儲與計算、數據管理、數據分析與挖掘、數據服務等功能，包括網絡數據、環(huán)境數據、應用數據等。

(4)創(chuàng)新基礎設施：對已建成的基礎設施的繼承、升級、完善，包括為產品研制、技術開發(fā)、成果產業(yè)化等活動提供支撐的設施、裝置、軟件系統(tǒng)、平臺等。

(5)融合基礎設施：指基于算網基礎設施融合人工智能、大數據等新技術進行智能化改造形成的基礎設施形態(tài)，包括智慧能源基礎設施、智能金融基礎設施、智慧交通基礎設施等。

圖1 算網基礎設施五大組件

算網基礎設施聚焦數字化產業(yè)，升級創(chuàng)新產品和服務供給，形成“3+4+5”的體系架構，即三大能力、四個特征以及五大組件(見圖2)。

圖2 算網基礎設施“3+4+5”體系

算網基礎設施作為支撐海量智能應用數據和終端設備的物理載體，需要具備對智能應用需求的感知能力，能夠提供彈性隨需的算力管控和調度能力，以及構建虛擬化、軟件化的基礎設施安全能力，形成“大連接、高算力、強安全”三大能力，支撐算網融合“萬物智聯(lián)、智算賦能、安全升級”的服務能力[2]。算網基礎設施具有以下幾個特征。

(1)融合

算網基礎設施融合特性包括數據融合、算力融合以及網絡融合，旨在形成統(tǒng)一的資源池，提高資源使用效率和數據處理速度。

? 數據融合：集合算網基礎設施范圍內的網絡數據、環(huán)境數據、應用數據和安全數據，從數據結構、數據存儲、數據處理等方面形成統(tǒng)一范式，構建歸一化的數據資源池。

? 算力融合：匯聚云計算、邊緣計算、AI計算、類腦計算、量子計算等多種計算設備，聚焦異構芯片的處理能力，實現基礎算力的度量融合。

? 網絡融合：以全光網絡/全IP網絡為底座，從網絡協(xié)議、網絡架構、網絡模型等方面集約化融合發(fā)展，全面提升網絡對計算的感知能力，實現云網邊端的融合連接。

(2)協(xié)同

算網基礎設施協(xié)同是指傳統(tǒng)集中算力資源進一步下沉到分布式的邊緣計算場景中，在網絡與算力協(xié)同部署過程中，網絡不再作為傳統(tǒng)的傳輸“管道”，可以認為是能夠提供具有算力資源感知能力的算網資源服務承載者。通過協(xié)同算網資源，實現計算、網絡和數據資源統(tǒng)一調度，滿足用戶一站式算網服務開通需求。

當前，不同地域之間的計算資源利用往往不平衡，通過構建包含傳輸、計算和數據三種資源協(xié)同的算網基礎設施，實現協(xié)同分析的任務分發(fā)和調度能力，完成跨域的計算能力共享，提升整體資源利用率。

(3)智能

從人臉識別、虛擬現實游戲、全息投影、車聯(lián)網[3]等新型智能應用到航空航天、天氣預報、工業(yè)智能制造等關系國計民生的基礎領域，算網基礎設施在提供算力資源的同時，結合人工智能、大數據分析等技術，實現自動化運維、應用感知、資源編排調度的能力升級。

(4)安全

隨著新型應用和技術不斷打破設施安全的物理邊界，傳統(tǒng)安全技術存在失效風險，算網基礎設施采用零信任、區(qū)塊鏈、隱私計算等新型安全技術，在數據安全、應用安全、網絡安全等維度構建新型技術設施安全架構。

1.2 算網基礎設施驅動因素

1.2.1 政策驅動：我國布局算網基礎設施頂層設計

“十四五”期間，我國高度重視“計算”+“網絡”深度融合的信息通信基礎設施建設，初步形成算網基礎設施頂層設計和行動時間表。2021年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《新型數據中心發(fā)展三年行動計劃(2021—2023年)》，明確提出“推動數據中心總體布局持續(xù)優(yōu)化，全國一體化算力網絡國家樞紐節(jié)點、省內數據中心、邊緣數據中心梯次布局。”2022年1月，國務院印發(fā)《“十四五”數字經濟發(fā)展規(guī)劃》，明確提出“推進云網協(xié)同和算網融合發(fā)展、有序推進基礎設施智能升級”。2022年1月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合印發(fā)《關于促進云網融合 加快中小城市信息基礎設施建設的通知》，要求強化云網融合、產業(yè)協(xié)同、城際聯(lián)動，著力提升中小城市信息基礎設施水平，到2025年，我國東部和中西部及東北大部分地區(qū)基本建成覆蓋中小城市的云網基礎設施。

1.2.2 技術驅動：創(chuàng)新融合應用加速算網基礎設施落地部署

智能化數字應用帶來海量接入設備和幾何指數增長的數據量，使得融合創(chuàng)新技術的算網基礎設施成為信息通信(ICT)行業(yè)技術發(fā)展的重要抓手。從車聯(lián)網、智慧醫(yī)療等智能行業(yè)應用到“東數西算”工程全面啟動，從基礎電信運營商角度看，CT技術發(fā)展呈現計算化趨勢。其中，SD-WAN和SRv6作為代表性網絡計算化技術在產業(yè)界已進行商業(yè)部署，但是信息網絡仍存在不能感知智能應用場景算力服務需求，阻礙智能設備網絡連接。從互聯(lián)網企業(yè)角度看，IT技術發(fā)展呈現網絡化趨勢。邊緣計算、分布式云計算、高性能云成為行業(yè)討論的熱點，但是人工智能計算、量子計算、云計算等異構算力資源難以形成統(tǒng)一的資源池，缺少靈活彈性的算力編排。因此，“大連接、高算力、強安全”的算網基礎設施是實現網絡智能連接和異構算力行業(yè)賦能的重要途徑，成為ICT產業(yè)重點關注的領域。

1.2.3 行業(yè)驅動：“價值藍?！敝λ憔W基礎設施生態(tài)鏈構建

算網基礎設施作為支撐各智能應用的數字底座，吸引產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)緊跟算網融合技術發(fā)展趨勢，加快產業(yè)布局，力求搶占新的“價值藍海”發(fā)展契機。算網基礎設施涉及基礎電信運營商、軟件服務商、設備生產商以及云廠商。三大基礎電信運營商作為算網基礎設施主要建設單位，面向算力調度和交易平臺建設，聚焦算網智慧中樞平臺的全局調度能力，紛紛開展算力網絡技術驗證研究和標準制定[4]。設備制造商龍頭企業(yè)和互聯(lián)網企業(yè)積極推進集計算、傳輸、存儲為一體的智能設備研制，加快設計滿足行業(yè)應用需求的解決方案。例如，阿里云計算有限公司宣布投入2 000 億元用于建設滿足算網融合應用需求的新型數據中心，并持續(xù)增加芯片、服務器、交換機、網絡等領域的自研力度；華為技術有限公司正式發(fā)布深圳、武漢、西安、成都等21 個城市共同構成的“人工智能算力網絡”。

2 算網基礎設施關鍵技術

算網基礎設施技術體系包含以算力優(yōu)先網絡、SD-WAN、IPv6/IPv6+為代表的網絡計算化技術，以邊緣計算、高性能計算為代表的計算網絡化技術，以零信任為代表的算網安全技術以及算網智能融合編排技術，技術體系龐大。現階段，算網基礎設施面向計算資源與信息通信網絡融合的技術難點，聚焦算力優(yōu)先網絡技術、智能網絡隧道技術、確定性網絡技術以及新型安全技術開展技術研究。

2.1 算力優(yōu)先網絡技術

算網基礎設施采用算力優(yōu)先網絡(Compute First Networking，CFN)技術，將當前網絡中的異構算力及網絡態(tài)勢以路由信息的形式發(fā)布到網絡中，協(xié)同網絡和算力信息，形成對節(jié)點網絡性能和計算性能的綜合評價。

CFN的核心是算力路由。算力路由的理念是根據所感知的抽象算網資源，綜合考慮計算資源及網絡狀態(tài)，按需將業(yè)務流量靈活路由至適當的計算節(jié)點中。算力路由不僅考慮IP可達性，同時考慮網絡拓撲下算力資源的動態(tài)變化與可服務狀態(tài)，同時在路由恢復的基礎上增量融合對于計算任務重路由及調度的考量。

CFN提供有效算網服務需要高效算力調度。為實現泛在化的計算服務，需要在云網邊端諸多異構場景中構建多層次的算力調度平臺，從而將全網的算力與網絡納入統(tǒng)一的管理體系中。算力調度涵蓋的主要內容包括對于算力的注冊、分解、調整、移動性和生命周期管理等。

2.2 智能網絡隧道技術

算網基礎設施采用以SD-WAN/SRv6 VPN為代表的智能化網絡隧道技術，實現在異構網絡鏈路上的安全、靈活的網絡連接，打造彈性、按需的算力連接。SD-WAN作為Overlay技術，為算網基礎設施提供了高效的網絡承載、多樣化的設備管理能力，使得運營商、企業(yè)的網絡資源調度更具開放性和靈活性。SRv6可通過統(tǒng)一定義具有不同態(tài)勢的SID，并利用網絡編程，將上層業(yè)務與底層網絡承載進行結合，從而避免需要多種網絡協(xié)議保證分離的業(yè)務與承載之間的互聯(lián)互通，而且能夠為多樣化的功能需求提供更為方便靈活的支持。

SRv6與SD-WAN進行有機結合，利用SDN強大的可編程能力，通過與控制器配合，可依據業(yè)務訴求直接調動網絡轉發(fā)資源，實現面向算網融合場景的算網基礎設施資源敏捷、按需、可靠調度。

2.3 確定性網絡技術

算網基礎設施采用確定性網絡技術保證算網服務的服務質量。確定性網絡旨在為所承載的業(yè)務提供確定性指標，包括時延及抖動、丟包率等。確定性網絡技術具有在多條路徑傳輸并進行選擇性收取的冗余保護機制，以此實現算網業(yè)務對于鏈路中斷的無感知運行，同時會通過顯式約束路由路徑、隊列管理及資源預留算法的方式，來避免業(yè)務傳輸質量受路由震蕩等多種因素的影響。

2.4 新型安全技術

零信任技術打破了網絡位置和信任間的默認關系，能夠最大限度保證資源被可信訪問，提升算網基礎設施系統(tǒng)的整體安全性。零信任技術的目標是在不可信網絡中構建安全的系統(tǒng)，其默認一切參與因素不受信，使用最小權限原則，進行動態(tài)訪問控制和授權，持續(xù)地對整個系統(tǒng)和網絡進行安全防護。

零信任技術通過為物理實體(包括設備、服務、數據、用戶等)建立數字身份，構建身份與訪問管理系統(tǒng)。零信任技術以多種實體身份組合作為訪問主體，基于“最小權限原則”，根據訪問需求、信任評估結果等對主體進行授權。這樣可以最大程度地保證算網基礎設施架構中算力資源、數據、用戶等認證的安全性。

3 算網基礎設施發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及建議

3.1 算網基礎設施發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

未來ICT行業(yè)將朝著“計算網絡化”和“網絡算力化”的方向不斷演進，算網基礎設施已經成為協(xié)同“計算”+“網絡”技術全面發(fā)展的重要能力底座。算網供應方和需求方共同推動產業(yè)成熟發(fā)展。供應側通過整合內外部資源，優(yōu)化產業(yè)供給能力，需求側推動算網服務面向國家治理、傳統(tǒng)產業(yè)等多個領域智能升級，實現算網服務的多元性，共同促進產業(yè)生態(tài)繁榮。但是，算網基礎設施建設仍處于發(fā)展部署階段，全面普及仍存在挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)一：算力設施和網絡設施尚未實現全面融合協(xié)同發(fā)展。算網基礎設施建設尚未形成統(tǒng)一規(guī)劃，網絡設施缺乏對計算服務和智能應用的感知性，阻礙網絡的賦能效應。算力建設和分布缺少頂層設計，當前的算力建設存在與產業(yè)互聯(lián)網發(fā)展需求不匹配的情況。

挑戰(zhàn)二：算網基礎設施部署結構不合理，行業(yè)應用效果不明顯。算網基礎設施在消費互聯(lián)網、零售等輕產業(yè)占比較高，在傳統(tǒng)工業(yè)部署較低，算網基礎設施對制造業(yè)數字化轉型升級助力不明顯。與此同時，算網基礎設施使用門檻較高，企業(yè)無法直接使用算網資源，因此需要通過算網服務的方式提供算力服務。

挑戰(zhàn)三：算網基礎設施空間分布不平衡，地域供需匹配待加強。一線城市算網基礎設施發(fā)展部署較多，農村等偏遠地區(qū)算網基礎設施可獲得性、服務公平性有待加強。當前，中西部地區(qū)算力過剩，中西部地區(qū)應用需求不足，導致供給余量較大，“東數西算”模式尚未形成規(guī)模，造成資源閑置和浪費。

3.2 算網基礎設施發(fā)展建議

建議一：加速技術研究和標準研制，保障核心技術先進性和自主性。進行算網基礎設施技術研究和標準研制，聚焦算力調度、算網智能編排以及算力交易等技術難點，加快應用基礎理論和關鍵技術攻關，形成自主知識產權的標準規(guī)范，加速推出自主可控的設備和產品，打造算網融合領域試點工程應用示范標桿，切實做到核心技術在手。

建議二：有序推進算網基礎設施建設，推動智能融合算網服務升級。堅持“需求引領，適度超前”的部署原則，抓牢“東數西算”工程重大機遇，統(tǒng)籌通用算力、智能算力以及高性能算力等多元算力，加快支撐智能應用的算網基礎設施規(guī)劃和建設。融合人工智能、區(qū)塊鏈、大數據等技術應用，升級算網平臺能力，構筑高效算網融合能力底座。

建議三：構筑良性算網融合生態(tài)閉環(huán)，打造高效權威產業(yè)交流平臺。優(yōu)化產業(yè)結構，加強算力體系建設、完善算網大腦頂層設計，提高算網基礎設施安全可靠性。建設技術驗證和應用創(chuàng)新平臺，加速開展復合性試驗以及標準落地實施和產業(yè)應用推廣。打造測試評估產業(yè)平臺，開展測試評估方法等體系的研制，建立算網基礎設施成熟度評估模型，構建算網融合設施測評體系。

4 結束語

在智能應用技術快速發(fā)展背景下，算網基礎設施作為新型智能數字底座，已成為我國發(fā)展數字經濟的重要抓手。當前，算網基礎設施技術研究和實施部署已進入快速發(fā)展階段，亟需構建具有行業(yè)共識的算網基礎設施參考架構和發(fā)展路徑規(guī)劃。本文以算網基礎設施重要內涵和五大組件為切入點，提出參考架構，凝聚提煉“大連接，高算力，強安全”三大能力及“融合、協(xié)同、智能、安全”四個重要特征，從政策、技術及行業(yè)應用等方面分析算網基礎設施的驅動因素。針對算網基礎設施在關鍵技術、應用部署以及工程建設三個方面發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，提出系統(tǒng)建議。